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Faits marquants 2013

Les faits marquants issus du rapport d'activités 2013 du Laboratoire de Météorologie Dynamique


Les faits marquants au Laboratoire de Météorologie Dynamique pour 2013


Equipe DPAO

 

Analyse de vols ballons dans la stratosphère équatoriale

 (Albert Hertzog, Riwal Plougonven et Aurélien Podjladen)

Les analyses météorologiques sont couramment utilisées pour l'étude de la dynamique et des processus physiques dans l'atmosphère ; il est donc primordial de connaître leur degré de réalisme. Cependant, une évaluation objective est difficile car les observations conventionnelles sont assimilées par les analyses et ne fournissent donc pas d'informations indépendantes. Grâce aux données collectées lors de la campagne de ballons longue durée Pré-Concordiasi (février-mai 2010), qui n'ont pas été assimilées, on a pu se livrer à une telle évaluation des analyses dans la basse stratosphère équatoriale, vers 19 km d'altitude. Cet exercice a révélé des désaccords importants (voir figure), associés à une mauvaise représentation de structures dynamiques pourtant remarquables et de grande échelle (des ondes équatoriales de Kelvin et de Yanaï). Ainsi, les analyses et réanalyses actuelles ont une marge d'amélioration importante dans la région de la tropopause tropicale, ce qui justifie les efforts apportés pour mettre en place des mesures de vents par télédétection (expérience du Lidar vent embarqué sur le satellite ADM Aeolus).

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Equipe InTro

 

L'équipe InTro (Interfaces et Troposphère) étudie au niveau régional les processus physico-chimiques de fine échelle (typiquement inférieures à 10 km) dans la troposphère. L’objectif est de mieux comprendre et modéliser la dynamique atmosphérique, incluant cycle de l'eau et des nuages, et la pollution atmosphérique en s'aidant des observations satellitaires et in-situ collectées de façon routinière et dans le cadre de grandes campagnes de mesures. L'équipe InTro vise aussi à mieux évaluer l'impact des ces processus sur la santé et les ressources énergétiques d'origine renouvelable dans un contexte de changement climatique.

 

Parmi les recherches conduites cette année, on peut noter les éléments marquants sur l'axe "canicules, sécheresses et feux de forêts" structurant au sein de l'équipe. En particulier les travaux conduits sur les feux de forêt ont été récompensés par l'attribution de la médaille de bronze du CNRS à S. Turquety, chercheuse dans l'équipe. Les travaux ont permis de classifier les structures spatiales des canicules et sécheresses dans la région Euro-Méditerranée, de quantifier la contribution du déficit hydrique du sol sur l'amplitude des canicules par le calcul d'un indice ISMTF (soil-moisture temperature feedback). Cet indice quantifie la contribution de l'humidité des sols à l'anomalie de température durant la canicule. Quand ISMTF est positif (négatif), déficit hydrique amplifie (atténue) l'anomalie de la canicule (Figure 1). En plaine la température de l'air est largement contrôlé par le chauffage par le sol particulièrement fort en situation de déficit hydrique (ISMTF >0). Plus surprenant, sur les zones côtières méditerranéennes et montagneuses, les brises de relief et brises de mer contribuent à atténuer notablement la canicule en favorisant le transport d'air frais et humide et la formation de précipitations (ISMTF <0).

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Indice ISMTF (soil-moisture temperature feedback) quantifiant la contribution de l'humidité des sols à l'anomalie de température durant la canicule. L'indice ISMTF a été calculé à partir de simulations WRF sur la période 1989-2008 effectuées dans le cadre des programmes HyMeX et MED-CORDEX (d’après Stéfanon et al., 2014).

La modification du cycle de vie de la végétation en situation de sécheresse et donc de déficit hydrique dans le sol peut moduler jusqu'à 10% de l'anomalie de température durant les canicules. Les canicules et sécheresses sont des éléments favorisant considérablement le risque de feux de forêt dans la région Euro-Méditerranée.

Les feux de végétation sont en conséquence fréquents et particulièrement intenses dans les pays du Sud de l’Europe (Figure 2). Les feux de plus petite étendue à l’Est du domaine représenté correspondent en grande partie à des feux agricoles. Les travaux réalisés dans le cadre du projet APIFLAME ont montré que les émissions de polluants par ces feux peuvent atteindre des niveaux annuels comparables aux émissions anthropiques (en particulier au Portugal, dans la péninsule des Balkans et en Europe de l’Est), mais concentrés pendant l’été et sur des événements de quelques semaines. Les conséquences en termes de concentrations atmosphériques sont significatives. Par exemple pendant l’été 2007, le nombre de dépassements de seuils de qualité de l’air observés dans l’Est de l’Euro-Méditerrannée n’a pu être reproduit avec le modèle de chimie-transport CHIMERE qu’en tenant compte de la contribution des feux (qui représente 45% des dépassements d’après les simulations).



 

Surface brûlée annuelle moyenne détectée par satellite (MODIS) entre 2003 et 2012, représentée sur une grille de 0.1°x0.1° (d’après Turquety et al., 2013).


Equipe CEET

 

Une grande partie de l’activité de l’équipe CEET pendant l’année 2013 a été tournée vers l’exploitation des données du satellite Megha-Tropiques, lancée  le 12/10/2011.

En effet, l’équipe est impliquée depuis le début de cette mission franco-indienne, puisqu’elle a été proposée puis suivie par les différents chefs d’équipe successifs de CEET (Michel Desbois puis Rémy Roca jusqu’en 2012). Les chaînes de traitement des données de rayonnement (O. Chomette et P. Raberanto), les comparaisons avec les mesures géostationnaires (A. Szantai) et les caractéristiques d’orbitographie (M. Capderou) ont été depuis développés par les membres de l’équipe. L’équipe a été associée également à une réflexion scientifique sur les produits de précipitation et de vapeur d’eau (I. Jobard et L. Picon).

Bilan de rayonnement - Instrument SCARAB


L’année 2013 a été consacrée à la validation des données, après leur réception plus régulière.

Validation des radiances (O. Chomette):

Depuis plusieurs années, notre équipe CEET au LMD a développé des relations de travail avec le groupe scientifique CERES de la NASA.

L'année dernière, lors du 16th CERES Science Team Meeting, une campagne de mesures conjointe entre nos deux équipes scientifiques a été définie afin de permettre la mise en coïncidence de nos deux instruments dans le cadre de la phase de validation du projet ScaRaB sur Megha-Tropiques.

Sachant que deux radiances ne peuvent être comparées qu'avec des conditions angulaires identiques (en plus d'être mesurées au même moment et au même endroit), le principe de cette campagne consiste à reprogrammer le mode d'acquisition du capteur CERES (embarqué sur le satellite TERRA de la NASA) afin que les deux capteurs (ScaRaB et CERES) coïncident pour chacun de leurs croisements.

Pour cela a été développé un modèle de prévision des intersections des satellites tenant compte également de la géométrie de chaque capteur. Ce développement a été fait en assemblant divers logiciels existants dans l'équipe avec notamment le logiciel IXION (développé par Michel Capderou).

Après une journée test (le 30/03/2012), la campagne s'est déroulée du 17/04/2012 au 08/06/2012. Les premiers résultats puis les conclusions de cette étude ont été présentées à trois reprises en conférence internationale durant l'année 2012/2013 et une publication est en cours d’écriture et devrait être soumise début 2014. Les résultats obtenus permettent donc une validation très précise des données de radiances, qui sont distribuées aux utilisateurs.

Validation des flux (P. Raberanto):

Des travaux identiques ont été entrepris pour valider l'obtention des flux au sommet de l'atmosphère, obtenus à partir des radiances via des algorithmes spécifiques. Le flux étant une mesure intégrée contrairement aux radiances, comparer deux flux entre eux ne nécessite pas de mise en coïncidence angulaire des deux capteurs.

Nous avons développé 3 modèles pour le calcul des flux à partir des donnés ScaRaB : SEL (ScaRaB ERBE-like) utilise la même technique d’inversion que pour les données ERBE et CERES, ce qui permet d’assurer une continuité des données de flux au sommet de l’atmosphère depuis 1995. SANN1 et SANN2 (ScaRaB Artificial Neural Network) deux modèles à base de réseaux de neurones, utilisent, pour le modèle SANN1, les canaux auxiliaires (Visible et IR fenêtre), et pour le modèle SANN2, les données de contenu en vapeur d'eau (TCWV) issu des analyses de ECMWF.

Validation de la chaine opérationnelle à ICARE.

Après la mise au point des modèles de calcul des flux sortants au sommet de l'atmosphère, nous avons livré le code scientifique au segment sol du CGTD-ICARE. Le segment Sol a en charge la production opérationnelle des différents produits.

Depuis fin Octobre 2013, les données sont accessibles via ICARE à toute la communauté scientifique.

Validation des flux L2 – L2B

Les données de niveau L2 sont des flux instantanés à la résolution spatiale des détecteurs, environ 50*50km au nadir, tandis que les données L2B sont des flux instantanés mais projetés dans une grille régulière de 1° X 1°, figure 1

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Figure 1 : Flux onde-longue au sommet de l’atmosphère sur une grille 1°x1° pour le 09/12/2011 de 11:52 TU à 13:44TU

 

Les flux calculés avec les instruments CERES à bord de TERRA et ACQUA ont été comparés aux flux ScaRaB, en utilisant la procédure de colocalisation utilisée pour la validation des radiances. 

La figure 2 présente ces comparaisons pour le mois de Juin 2012 dans le cas de scènes désertiques, de jour et de nuit pour les grandes longueurs d’ondes (2-a) et pour les courtes longueurs d’ondes (2-b). Les résultats de la comparaison montrent un biais moyen (~2%) légèrement positif pour les grandes et courtes longueurs d’ondes, ainsi qu’une erreur moyenne légèrement plus importante pour les courtes longueurs d’ondes que pour les grandes longueurs d’ondes. Cette erreur reste inférieure à 5% en données instantanées.

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Figure 2 : Exemple de comparaison pour le cas DESERT en juin2012 avec les données de CERES-FM1

Suivi de l'instrument

Pour vérifier que l'instrument ne se dégrade pas ou bien n'a pas dérive dans le temps, il est important de suivre l'évolution des différents canaux en orbite.

Pour cela, nous utilisons la technique de DCC (Deep Convective Cloud). Les nuages très froids ( T<205°K) peuvent être considérés comme des corps noirs, et leur signature spectrale doit être la même au cours du temps. Nous étudions donc leur évolution dans les différents canaux. Ici nous considérons pour les mois de Novembre 2011 (début de la mission) et Septembre 2013 le rapport du canal LW sur le canal fenêtre 4 LIR : LW/LIR en fonction du canal LIR pour les cas des nuages très froids (canal 4 LIR < 7 Wm-2sr-1). 

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Figure 3 : Suivi de la stabilité du canal 4 de ScaRaB entre le mois de novembre 2011 et Septembre 2013.


 Le suivi de ce rapport nous permet de suivre la stabilité des différents canaux. Pour les canaux ondes courtes, le suivi de l'albédo de ces nuages froids est en cours.

Applications

Ces résultats sur les flux radiatifs ont pu être aussi être confrontés aux restitutions de la pluie obtenues par le radiomètres MADRAS et de l’humidité obtenues par le profileur SAPHIR, dans le cadre de l’équipe scientifique Megha-Tropiques et de collaboration avec les laboratoires LEGOS, GET et LATMOS.

Une des originalités de Megha-tropiques est son orbite tropicale, permettant une analyse fine des cycles diurnes.

La figure 4, reproduite avec l’autorisation de R. Roca, PI de la mission, montre la répartition du cycle diurne de la réponse radiative en fonction du régime de pluies, dans les tropiques et pour les courtes et grandes longueurs d’ondes.

 

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Figure 4 : Cycle diurne de la fonction de distribution cumulée (en couleur) des flux radiatifs. Courtes (en haut) et grandes longueur d’ondes (en bas) sont mesurées par ScaRaB et interprétés ici en coïncidence au cumul de pluies mesurés par MADRAS (Axe vertical).

 

D’autre part, le CNES et une équipe du laboratoire ont demandé à O. Chomette une étude pour la future campagne ballon Strateole II. Il s'agissait de déterminer une distribution des flux TOA avec minima et maxima dans la ceinture tropicale sur une année complète afin de pouvoir définir au mieux les besoins de la mission.

 

  • Earth Radiation Budget International Workshop à Princeton-NJ les 22-26 octobre 2012 (une présentation orale + participation dans 2 présentations orales).
  • Indo-French Megha-Tropiques Scientific Workshop à Bangalore (Inde) les 17-19 décembre 2012 (une présentation orale + un poster).
  • 19th CERES-II Science Team Meeting à NASA-LaRC (Hampton - VA) les 7-9 mai 2013 (une présentation orale).

 

Utilisation des géostationnaires pour l'exploitation des données MT 

(A. Szantai)

Les données des satellites géostationnaires sont utilisées en combinaison avec les données MT pour les identifications de scènes. Un algorithme de qualité d’images géostationnaires a été défini et mis en place pour une production opérationnelle de fichiers « qualité » au CGTD/ICARE, dans le cadre des traitements de Megha-Tropiques.

Il consiste à :

  • Définir et améliorer la caractérisation des défauts des images de satellites géostationnaires les logiciels dans le programme prototype (en langage IDL) et le logiciel préopérationnel (en Python).

  • Calculer et vérifier les données auxiliaires (masques, profils) nécessaires à la construction des fichiers qualité.

  • Vérifier les résultats (les fichiers qualité) produits par la version préopérationnelle du logiciel.

  • Préparer le rapport de définition du produit qualité (PDD).

Suite à ces travaux, le logiciel « Qualité des images de géostationnaires » est quasiment prêt pour une installation et un fonctionnement opérationnel au CGTD/ICARE, pour produire les fichiers qualité quasiment en temps réel.

Les fichiers qualité de la version préopérationnelle ont été utilisés sur la période de l’été 2012 par un programme d’estimation des précipitations (TAPEER) utilisant les données Megha-Tropiques.

Ces travaux ont été réalisés par A. Szantai en collaboration avec des personnes de l’IPSL (S. Cloché), du CGTD/ICARE (B. Six) et du LEGOS (R. Roca, J. Aublanc, N. Taburet).

D’autre part, dans le cadre d’une identification précise des scènes nuageuses, un algorithme de classification nuageuse, développé par G. Sèze (LMD), est en train d’être adapté aux images Meteosat-7.

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Exemple d’image GOES-11, avec un masque (bord jaune), et comportant différents défauts de ligne caractérisés par un coefficient entier (FullLineQuality_IR107, à droite) selon leur nature.


Orbitographie

 (M. Capderou)

Le logiciel IXION (logiciel opérationnel d’orbitographie et d’échantillonnage) est utilisé pour de nombreuses applications, pour l’exploitation des données MT, mais également pour de nombreux autres satellites. Ce logiciel est installé sur la plateforme climserv de l’IPSL sous une version interactive qui a connu de récentes améliorations (voir figure 5).

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Figure 5 : Fonctionnalités du logiciel d’orbitographie Ixion

 

Une récente application du logiciel a été élaborée pour étudier l’ombre des anneaux de Sature, dans le cadre d’une collaboration avec Aymeric Spiga pour le modèle climatique de Saturne 

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Etude de l’ombre des anneaux de Saturne avec le logiciel IXION



Analyse des données de l'humidité de la troposphère à partir des canaux SAPHIR

Une première étude d’analyse de ces données sur l’été et l’hiver 2012 a été menée. Elle permet en particulier de documenter le cycle diurne des humidités pour ces trois niveaux d’altitude, en s’approchant des systèmes convectifs (canaux micro-ondes) et de caractériser ainsi les variabilités régionales de l’environnement de ces systèmes.

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Nombres d'observations en fonction des valeurs d'UTH (en %) pour une période de 102 jours en hiver 2012 dans l'Océan Indien Est entre 2h30 et 4h30 locales

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Nombres d'observations en fonction des valeurs d'UTH pour une période de 102 jours en hiver 2012 dans l'Océan Indien Est entre 10h30 et 12h30 locales

 

Communications, Publications, Rapports

  • O. Chomette, P. Raberanto,  présentation orale au 19th CERES-II Science Team Meeting à NASA-LaRC (Hampton - VA) les 7-9 mai 2013
  • L. Picon, R. Guzman, R. Roca, The 2013 Joint EUMETSAT/AMS Conference, 16-20 Sep. 2013 : Impact of the FTH on the clear-sky OLR in the intertropical belt: observations and climate models.
  • M. Capderou, Handbook of Satellite Orbits - from Kepler to GPS, M. Capderou (Foreword by C. Elachi, JPL Director) 950 pages. Springer New York, 2014.
  • J. Tav, Le satellite Megha-Tropiques et la mesure de la vapeur d’eau atmosphérique, Stage de master 1 de la mention Physique et Applications, UPMC, Avril-Juillet 2013.

 

Equipe EMC3


5e rapport d'évaluation du GIEC

L'année 2013 a vu la finalisation et la sortie du 5e rapport d'évaluation du GIEC dans lequel un certain nombre de chercheurs du LMD ont été impliqués en tant que Coordinating Lead Author, Lead Author, Contributing Author et Review Editor, et en participant au Scoping Meeting et aux différentes phases de review du rapport. L'équipe EMC3 a également participé au rapport au travers de sa participation aux projets internationaux de modélisation du changement climatique (coordination du projet CMIP, participation à CMIP5 de trois versions du modèle climatique de l'IPSL, analyse des simulations multi-modèles CMIP), et au travers de ses nombreuses publications citées dans le rapport. La sortie a été accompagnée de conférence de presse à Paris et à Stockholm, de visite de laboratoire, et de présentations invitées (UPMC, AGU fall meeting, etc.)

 

 

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Mise en évidence de l'effet direct du CO2 sur la circulation atmosphérique et la précipitation.

L'effet de l'augmentation du CO2 sur le climat a longtemps été interprété comme résultant du réchauffement induit par l'augmentation de l'effet de serre. Dans une étude publiée dans Nature Geoscience, nous montrons que l'augmentation des gaz à effet de serre peut aussi modifier le climat indépendamment du réchauffement à la surface de la Terre : en modifiant le taux de refroidissement radiatif de l'atmosphère, l'augmentation du CO2 modifie extrêmement rapidement (en quelques jours seulement) l'intensité de la circulation atmosphérique de grande échelle et modifie ainsi la distribution régionale des pluies dans les Tropiques, même en l'absence de réchauffement global. Ce résultat est étayé par l'analyse des simulations d'un grand nombre de modèles climatiques utilisés dans diverses configurations, ainsi que par des simulations du modèle de prévision météorologique du Centre Européen. Notre étude suggère que presque la moitié des changements de circulation tropicale projetés pour la fin du siècle dans un scénario de changement climatique sans mitigation s'explique par l'effet direct du CO2 sur la circulation atmosphérique. Ces résultats suggèrent que pour éviter les changements de précipitation à long terme dans les régions tropicales, les stratégies de mitigation consistant à ne réduire que le réchauffement ne suffiront pas et qu'il faudra également réduire la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

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Figure : Réponse de la circulation atmosphérique tropicale (ici le changement relatif de l'intensité des ascendances de grande échelle) à une augmentation du CO2 atmosphérique en fonction du réchauffement à la surface de la Terre. Le réchauffement global induit un affaiblissement de l'intensité des ascendances. Toutefois, en l'absence de réchauffement en surface, l'augmentation du CO2 induit un affaiblissement des ascendances sur les océans et un renforcement sur les surfaces continentales. Noter l'effet opposé du CO2 et du réchauffement sur l'évolution des ascendances sur les continents, et l'importance de l'effet direct du CO2 sur la circulation comparée à l'amplitude des changements prédits à la fin du siècle dans le scénario RCP8.5.

Référence : Bony S., G. Bellon, D. Klocke, S. Sherwood, S. Fermepin, and S. Denvil, 2013 : Robust direct effect of carbon dioxide on tropical circulation and regional precipitation, Nature Geoscience, 6, 447-451, doi:10.1038/ngeo1799.

 

Interprétation de l'incertitude sur les estimations par les modèles de la sensibilité climatique

Depuis plus de trois décennies, l'estimation de la sensibilité climatique, c'est-à-dire de l'amplitude du réchauffement global à l'équilibre associé un doublement de la concentration en CO2 dans l'atmosphère, constitue une question majeure dans les sciences du changement climatique. La sensibilité climatique constitue en effet un facteur d'échelle pour de nombreux impacts du changement climatique, y compris à l'échelle régionale. La fourchette d'estimations, qui varie entre 1.5 et 4.5 degrés selon les modèles, s'est peu réduite en trente ans. En raffinant les méthodologies d'analyse et de quantification des forçages et rétroactions dans les modèles climatiques, nous avons montré que les écarts de sensibilité climatique entre les modèles provenaient toujours des différences de rétroaction nuageuse entre les modèles, et notamment des différences dans la réponse au réchauffement des nuages bas de type petits cumulus. En analysant les simulations plus en détail, nous avons mis en évidence un mécanisme de rétroaction positive des nuages bas lié à l'intensification du mélange de vapeur d'eau entre la couche limite et le bas de la troposphère libre, et avons montré que ce mécanisme expliquait environ 50 % de la dispersion des estimations de la sensibilité climatique entre les modèles. Par ce mécanisme, nous nous attendons à ce que la réponse des nuages bas en changement climatique dépende de l'importance relative du transport vertical de la vapeur d'eau par la convection profonde et peu profonde dans le climat présent. Des contraintes observationnelles sur ce transport suggèrent que les modèles simulant trop peu de transport d'humidité par la convection peu profonde prédisent une sensibilité climatique trop faible.

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Figure : Gauche : Décomposition de la moyenne multi-modèles de la sensibilité climatique en différentes contributions comprenant réponse de Planck (i.e. réponse sans rétroactions), ajustements rapide de l'atmosphère au forçage radiatif du CO2, et rétroactions associées aux changements de vapeur d'eau, d'albédo de surface et de nuages. Droite : Comparaison des différentes sources d'écarts inter-modèles de sensibilité climatique. Noter l 'importance des rétroactions nuageuses dans ces écarts.

Réferences :

  • Vial, J., J.-L. Dufresne, and S. Bony, 2013 : On the interpretation of inter-model spread in CMIP5 climate sensitivity estimates. Climate Dynamics, 40, 2415-2431.
  • Brient F. and S. Bony, 2013 : Interpretation of the positive low-cloud feedback predicted by a climate model under global warming. Climate Dynamics, 40, 2415-2431, DOI 10.1007/s00382-011-1279-7.
  • Sherwood, S. C., S. Bony and J.-L. Dufresne, 2014 : Spread in model estimates of climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing. Nature, 505, 37-42, doi:10.1038/nature12829.

 

Réflexion sur la géo-ingénierie

En comparant les effets sur le climat de l'augmentation des gaz à effet de serre dans l'atmosphère et d'une réduction du rayonnement solaire, des études de modélisation ont permis d'apprécier l'efficacité et les limites des mesures potentielles de mitigation du changement climatique par géo-ingénierie modifiant artificiellement le rayonnement solaire reçu par la Terre.

D'autre part, le LMD a coordonné un Atelier de Réflexion Prospective (ARP) dont le but était de développer une réflexion globale et systémique sur l’ensemble des méthodes de géo-ingénierie de l’environnement envisageables à l’échelle régionale et globale. L'ARP s'est intéressé à la fois aux aspect de faisabilité scientifique et technique, mais aussi aux aspects environnementaux, socio-économiques et éthiques, en prenant en compte les incertitudes et les risques. L'atelier a dégagé des pistes originales : géo-ingénierie en seconde intention greffée à une activité industrielle, géo-ingénierie territoriale, agriculture orientée climat, courts-circuits énergétiques. Il a aussi dégagé des priorités de recherche pour le futur.

 Références :

  • Huneeus, N., O. Boucher, K. Alterskjær, J. N. S. Cole, C. L. Curry, D. Ji, A. Jones, B. Kravitz, J. E. Kristjánsson, J. Moore, H. Muri, U. Niemeier, A. Robock, H. Schmidt, M. Schulz, S. Tilmes, S. Watanabe, Solar irradiance reduction and increased CO2 radiative forcings and feedbacks in the GeoMIP ensemble, Journal of Geophysical Research Atmosphere, submitted, 2013.
  • Kravitz, B., K. Caldeira, O. Boucher, A. Robock, P. J. Rasch, K. Alterskjær, D. Bou Karam, J. N. S. Cole, C. L. Curry, J. M. Haywood, P. J. Irvine, D. Ji, A. Jones, J. E. Kristjánsson, D. J. Lunt, J. Moore, U. Niemeier, H. Schmidt, M. Schulz, B. Singh, S. Tilmes, S. Watanabe, S. Yang, J.-H. Yoon, Climate model response from the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP), Journal of Geophysical Research, 118, doi:10.1002/jgrd.50646, 2013.
  • Atelier de réflexion prospective sur la géo-ingénierie: http://arp-reagir.fr/

 

Étude de la mousson Indienne à l'aide d'un modèle zoomé à haute résolution. 

Des simulations avec la version zoomée de LMDZ, forcées par les températures de surface de l'océan mais sans guidage des variables atmosphériques, ont permis d'étudier la mousson indienne avec un modèle à haute résolution spatiale. L'accroissement de la résolution sur la simulation de la mousson, aussi bien en terme de précipitation moyenne que des interactions entre les système de précipitations méso-échelle et la circulation atmosphérique grande échelle. Ceci passe notamment par une amélioration de la représentation de la circulation cyclonique autour du thalweg de mousson. Nous avons pu montrer que le biais sec de la basse troposphère dans la simulation sans zoom inhibe les système convectifs et limite l’extension de la mousson.

 Cette technique de modélisation ne nécessite qu'un simple forçage par des températures de surface océanique. Un travail est en cours afin d'étudier les effets du réchauffement récent, ainsi de ceux projetés dans le future, sur la mousson indienne.

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Figure : Champ de précipitation (à gauche) et vent à 850 hPa (à droite) pendant la période de mousson (de juin à septembre) observée (en haut), simulé par le modèle LMDZ avec un zoom sur l'océan Indien (milieu) ou avec un maillage régulier (bas).

 Référence : T.P Sabin, R. Krishnan, J. Ghattas, S. Denvil, J-L Dufresne, F. Hourdin and P. Terray (2013). High resolution simulation of the South Asian monsoon using a variable resolution global climate model. Clim. Dynamics, July 2013, 41(1), pp 173-194, doi:10.1007/s00382-012-1658-8

 

Etude de l'impact climatique de l'état d'agrégation de la convection tropicale. 

La convection profonde tropicale peut s'organiser sous des formes très variées, allant d'orages isolés distribués de façon aléatoire à des systèmes convectifs méso-échelle pouvant s'agréger en amas, jusqu'à des enveloppes convectives d'échelle planétaire. A partir d'une étude observationnelle reposant sur l'analyse de longues séries d'observations spatiales, nous avons montré que pour des conditions dynamiques de grande échelle et une précipitation données à l'échelle d'un domaine de la taille d'une maille de modèle climatique (quelques centaines de km), l'état moyen de l'atmosphère différait de façon significative selon le degré d'agrégation de la convection au sein du domaine. En particulier, l'humidité et la distribution des différents types de nuages diffèrent selon l'état d'agrégation, conduisant à une modulation de l'état énergétique de la colonne d'atmosphère et une rétroaction possible avec la dynamique atmosphérique de grande échelle. Ces résultats, retrouvés dans les simulations à méso-échelle de l'atmosphère tropicale du projet anglais CASCADE, indiquent qu'une bonne représentation des couplages entre convection et circulation atmosphérique dans les modèles de climat nécessite de représenter l'état d'agrégation de la convection à méso-échelle. Des travaux allant dans ce sens sont en cours de développement dans l'équipe.

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Figure : Pour une précipitation et des conditions de grande échelle données à l'échelle d'un domaine de 3o x 3o, le profil vertical d'humidité relative (à gauche), la distribution des différents types nuageux (au milieu) et le refroidissement radiatif de l'atmosphère (triangles à droite) dépendent de l'organisation à méso-échelle de la convection profonde (caractérisée ici par le nombre N de systèmes convectifs) à l'intérieur du domaine. Cette dépendance suggère que l'état d'organisation de la convection affecte la circulation atmosphérique de grande échelle. 

Référence :

  • Tobin, I., S. Bony, C. E. Holloway, J.-Y. Grandpeix, G. Sèze, D. Coppin, S. J. Woolnough, and R. Roca, 2013 : Does convective aggregation need to be represented in cumulus parameterizations ? J. Adv. Model. Earth Syst., 5, doi:10.1002/jame.20047.
  • Thèse de Isabelle Tobin soutenue en Janvier 2013 au LMD.

 

 

Les incertitudes de la modélisation sur la réponse du climat au réchauffement global liées avant tout à la représentation du couplage entre l'eau et la circulation atmosphérique.

Depuis 50 ans, les modèles de circulation générale ont beaucoup évolué, incluant de plus en plus de processus et de couplages (avec la chimie, les aérosols, la biogéochimie, etc). Au cours de cette période, certaines incertitudes clé sur la réponse du climat au réchauffement global ont peu décru : les estimations de la sensibilité climatique sont toujours associées à une large fourchette d'estimations, et les changements régionaux de la précipitation restent très incertains. Ces incertitudes demeurent, avec le même ordre de grandeur, dans les configurations aqua-planète de ces mêmes modèles supposant que la Terre est partout couverte d'eau et qu'il n'y a ni continents, ni relief, ni aérosols, ni couplages avec l'océan, la chimie ou les cycles biogéochimiques. Cela montre que l'origine de ces incertitudes clé réside avant tout dans la représentation des processus physiques atmosphériques (nuages, convection, etc) et de leur couplage avec la circulation atmosphérique de grande échelle. Cela souligne l'importance de développer des représentations plus physiques et plus réalistes de ces processus et de leur couplage avec la dynamique dans les modèles de climat. Une grande partie des efforts de recherche de l'équipe EMC3 et de développement du modèle LMDZ s'inscrit dans ce cadre.

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Figure : Réponse des effets radiatifs des nuages et de la précipitation à un réchauffement imposé de la surface de l'océan de 4 degrés simulée par plusieurs modèles de circulation générale de CMIP5 en configuration aqua-planète.

Référence : Stevens, B. and S. Bony, 2013 : What are climate models missing?, Science, 340 (6136), 1053-1054, DOI: 10.1126/science.1237554.

 

Représentation stochastique du déclenchement de la convection dans le modèle LMDZ.

Les modèles de climat présentent fréquemment le défaut de simuler des précipitations trop fréquentes dans les régions semi-arides (par exemple, la pluie simulée est quasi-quotidienne partout sur le Sahel pendant la saison de mousson).

Nous avons étudié, en collaboration avec le CNRM (Météo-France, Toulouse), les conditions de déclenchement de la convection profonde aux environs de Niamey au Niger dans une simulation haute résolution (résolution horizontale de l’ordre de 200m). Nous avons été amenés a formuler l’hypothèse que la convection profonde se déclenchait lorsque des cumulus de couche limite atteignaient une taille suffisante (environ 3.5 km de diamètre). Nous avons aussi établi la loi de répartition des tailles de ces cumulus, ce qui nous a permis de déterminer la probabilité qu’il y ait dans une maille un cumulus plus grand que la taille seuil, c’est-à-dire la probabilité de déclenchement.

L’utilisation de cette probabilité de déclenchement se fait en tirant un nombre au hasard uniformément entre 0 et 1 et en décidant de déclencher la convection profonde dès que ce nombre est plus petit que la probabilité de déclenchement (de cette manière, si la probabilité de déclenchement est, par exemple, de 10%, la convection sera déclenchée une fois sur 10, ce qui reproduira la loi de probabilité voulue).

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Figure : La figure représente l’évolution des précipitations au cours d’un mois de Juillet d’une simulation climatique sur une boite d’environ 300 km de côté centrée sur Niamey au Niger : en haut la simulation avec le déclenchement standard (fonction seulement des propriétés moyennes des cumulus de couche limite), au milieu la simulation avec le déclenchement stochastique et en bas les précipitations TRMM (estimées à partir d’observations satellites et d’observations au sol) pendant le mois de Juillet 2006. L’amélioration du réalisme de la simulation saute aux yeux : il y a 27 jours de pluie dans la simulation standard contre 16 dans celle avec déclenchement stochastique et 18 dans les observations TRMM.

Références:

  • Thèse de Nicolas Rochetin
  • Nicolas Rochetin, Jean-Yves Grandpeix, Catherine Rio, Fleur Couvreux ; Deep convection triggering by boundary layer thermals. Part II : Stochastic triggering parameterization for the LMDZ GCM; JAS, 2014 

 

 

Distinctions

 

Francois Forget, directeur de recherche a été retenu pour recevoir la médaille David Bates (2014), remise pour d'exceptionnelles contributions aux sciences planétaires et du système solaire, par l’European Geoscience Union.

Olivier Talagrand, directeur de recherche émérite a été retenu pour recevoir la Lewis Fry Richardson Medal (2014), remise pour d'exceptionnelles contributions aux questions non-linéaires en géosciences, par l’European Geoscience Union.

Solène Turquety, maître de conférerence à l'Université Pierre et Marie Curie, a reçu la médaille de bronze du CNRS, pour ses travaux de recherche sur l'étude de l'impact des émissions de polluants par les feux de végétation.

Événements à venir
21/9/2017: séminaire de Hiro Masunaga 21/09/2017 10:30 - 12:30 — Salle de réunion du LMD/Jussieu (T45-55, 3e étage)
25-28/9/2017: CFMIP meeting, Université de Tokyo 25/09/2017 - 28/09/2017 — Université de Tokyo
2nd Pan-GASS conference 26/02/2018 - 02/03/2018 — Lorne, near Melbourne, VIC, Australia
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